哈工大航天学院吕海宝教授破解玻璃态物质本质难题

哈工大全媒体（商艳凯/文）近日，我校航天学院吕海宝教授在玻璃态物质本质及其玻璃化转变研究领域取得进展，相关研究成果以《分子物理与凝聚态物理的定律统一性》（When physics meets chemistry at the dynamic glass transition ）为题，发表在《物理学进展报告》（Reports on Progress in Physics）上。该研究为破解“物理定律能否统一”和“玻璃态物质本质是什么”两个世界科学难题提供了部分基础和尺度力学方法。《物理学进展报告》责任主编评价该成果时说：“论文关于物理定律统一性的研究工作，与电磁定律、万有引力定律的研究意义类似。”

“物理定律能否统一”是2005年《科学》杂志发布的全世界最前沿125个科学问题之一，而“玻璃态物质本质”被认为是凝聚态物理学最具挑战的基础科学问题。

玻璃态是介于结晶态和无定形态之间的一种物质状态，有人把玻璃态形象地称为“短程有序，远程无序”，即从小范围看，它有一定的晶型排列，从整体看，却像无定形物质那样无晶形的排列规律。玻璃态物质没有固定的熔点，而是在某一温度范围内逐渐软化。常见的玻璃态物质包括绝大多数玻璃、塑料橡胶等。

经典的相变问题，通常只需要建立其热力学平衡方程，而玻璃化转变较为复杂，不仅需要建立热力学平衡方程，还包括动力学平衡方程以及时空关联方程。吕海宝教授在研究中发现了玻璃化转变源于分子尺度与凝聚态尺度的跨尺度效应（标度律），建立了热力学非平衡态的自由能序参量平衡方程、“有序-无序”热力学模型及其随机运动概率统计方程，计算获得约19.5个单体组成的分子链段，其热力学运动达到临界平衡态；提出了分子纠缠（即协同效应），建立了重整化群论方程，计算获得了玻璃化转变的分子纠缠个数是e+1≈3.718，破解了分子与凝聚态临界跃迁的熵增原理，发现动态玻璃化转变时分子个数约为72个。

进而，基于爱因斯坦质能方程，吕海宝教授建立了能量和体积二元函数的时空关联方程，发现了分子尺度运动与凝聚态尺度运动的跨尺度效应，破解了“空穴体积假说”，建立了凝聚态尺度常数方程，通过分形迭代方程计算获得凝聚态尺度常数约为1.501×10^-11 J·mol^-1·K^-1。

基于上述研究工作，吕海宝教授提出了分子物理（化学）与凝聚态物理的物理定律统一性，讨论划分了分子、凝聚态和宏观三尺度的平行物理世界，破解了“物理定律能否统一”证明中最令人困惑不解的分子物理（化学）定律统一性，填补了凝聚态物理世界的凝聚态常数空白。

哈工大为论文唯一通讯单位，吕海宝教授为论文唯一作者。

该研究工作得到了国家自然科学基金项目的资助。

论文链接：

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6633/ad2b9c

玻璃化转变源于分子链相分离与分子链段微相分离的尺度效应

物理化学统一性及其凝聚态尺度常数